采用耦合-分光棱镜的光盘存储光学头

摘要

一种采用耦合—分光棱镜的光盘存储光学头，属于光盘信息存储技术及光学元件。本发明包括一个特殊设计的耦合—分光棱镜，其特点是该棱镜配以适当的光学元件构成光盘存储光学头，可同时对两个分别用于擦除(记录)，再现的激光光束进行整形、耦合到同一光路。二束反回光经分光面分离从棱镜的不同面射出。另一特点是两束反回光都不会再反馈到激光光源中。整个光学头结构紧凑、简单、尺寸小、重量轻、功能强，可以有多种变型，可适用于相变型、磁光型介质。

说明书

echnical-field id="technical-field001">

本发明属于光盘信息存储技术及光学元件。

光盘信息存储技术是从七十年代发展起来的高密度信息存储技术，基本方法是在记录介质上用光学透镜把光束会聚成一个微米量级的光斑，通过多种物理过程在介质上引起材料特性的改变，然后又再经过光学方法来再现（读出）这种变化。而光学头的作用正是实现这种信息的记录和再现（读出）。根据光学头的功能可分为四类：1.擦除-记录/再现型，2.直读型（DRAW-Direct    Read    After    Write）3.一次记录多次读出型（WORM-Write    Once    and    Read    Many）4.只读型。根据记录介质特性，光学头又可分相变型和磁光型两种。擦除-记录/再现光学头是一种功能较完整、用途广的光学头，这种光学头以及直读型光学头都要求两个以上的光源，（一般实用的光学头都采用半导体激光光源），一般结构较复杂、主要技术难点在于有效地将两个光源所发出的光耦合到同一光路之中并且把从光盘信息面返回的光与两个光源隔离开，防止其反回到光源之中以保证光源稳定工作。另外还要同时使反回的两束光相互分离，得到单独的信号光，提高信号质量。美国专利（4，564，931）公布了一种擦除-记录/再现和光学头的结构如图1所示，其特点是采用偏振耦合的方法来实现两光束的耦合并利用偏振来实现两光束的分离。这种结构的不足之处在于没能实现返回光与光源出射光的完全隔离：即擦除（或记录）光反馈进入到再现或读出光源之中，引起读出激光器的工作不稳定，最终导致信号质量劣化。

本发明为克服上述缺点，提出了一种新型结构光学头，在这种光学头中采用特殊设计的耦合-分光棱镜如图2所示，该棱镜由两部分组成，第一部分为耦合多面镜，其中两个入射面〔3〕〔4〕的夹角γ为两入射光进入棱镜后折射角Q₁，Q₂之和，上顶面〔5〕与斜面〔8a〕夹角为45°;第二部分为45°直角棱镜，其斜面〔8b〕与第一部分多面镜的斜面〔8a〕胶合构成分光面〔8〕，分光面上可镀上偏振光学薄膜构成偏振分光面，或镀上部分反射，部分透射的光学薄膜构成一般的分光面。用此耦合-分光棱镜可构成各种类型的光盘存储光学头。其特点是两束光斜入射利用界面耦合方法，配以>1沿逆向以反射角方向入射到界面而第二介质内的另一光束I₂则逆向以折射角方向入射到界面上，这样第一介质内的光经界面反射而第二介质内的光经界面折射就都沿着同一方向传播，实现了两光束的耦合。这种界面耦合方法如果不采取别的措施，两束光的耦合效率比较难平衡，对其中一光的耦合效率高则必然对另一光的耦合效率就低。本发明采用了在界面上蒸镀光学薄膜的方法，对两束光的耦合效率都很高。这种耦合方法的优点是对光的偏振性没有要求，另外，如果以某一特定角入射则可同时对半导体激光束整形，使光束的椭园形横截面变成园形横截面，提高了光能的利用率。2.光束整形原理，以半导体激光器发出的光束为例，其远场发散角分别为Q_ll和Q_L（一般Q_ll＜Q_L）经准直透镜后成为一横截面为椭园的光束，其长短轴之比为：M＝>11)/(cosQ_I)>0的入射角入射到斜面上，以Q折射后从另一面垂直出射，沿弧矢方向光束的宽度h会发生变化，放大倍数为：

N＝ (cosθ)/(cosθ) = (h)/(ho) (2）利用折射定律得知θ₀与N的关系如下：

（3）其中n为棱镜介质的折射率。

而沿子午方向的光束宽度则不发生变化。因此，可调整光源的入射方向和角度使光束的短轴处于弧矢方向并使N＝M，就可对半导体激光器所发出的椭园光束进行整形，使之变成园对称光束。

根据上述两光束的界面耦和与整形方法，本发明中的多面镜的两入射面角度γ设计步骤如下：①先测出所选用的两半导体激光光束的远场发散角θ_1L，θ_1ll和θ_2Lθ_2ll，确定出长短轴之比M₁，M₂，②令弧矢方向折射光束的放大倍数N₁，N₂等于M₁，M₂，根据公式（3）计算出两光束的入射角θ₁₀，θ₂₀，③根据折射定律计算出两光束的折射角θ₁，θ₂即得到多面镜两入射面夹角r＝θ₁+θ₂。若不考虑对光束整形，只要适当调整两光束的入射角，使得两反射角满足θ₁+θ₂＝r，即可达到两束光的耦合，如图5所示。

3.反回光与光源的隔离以及反回光相互分离方法如图6所示在一个偏振分光棱镜〔17〕上下两面都加上一个 1/4 波片〔9〕、〔10〕并在第二个 1/4 波片〔10〕下面再加上一个分光片或镀上分光薄膜〔15〕，其光谱特性是对两种波长的其中之一的光高反射而对另一波长的光高透射，就能实现对反回光与光源的隔离以及反回光的相互分离，具体工作状态是：波长为λ₁，λ₂的两束光（都为S偏振，沿着同一光路入射到偏振分光面〔8〕上被反射进入第一个>

本发明以上述方法制成的耦合-分光棱镜为核心，设计了一种新结构的光盘存储光学头。其总体结构如图7所示。包括分别用于擦除-记录和再现的波长为λ₁，λ₂的二个半导体激光光源〔1〕〔2〕，会聚物镜〔3〕，用于使λ₁，λ₂二光束聚焦到光盘信息面〔13〕上成为两个微小光斑（一个用于擦除，另一个用于写/读，或一个用于记录，另一个用于再现）。调焦-跟踪-信号探测系统〔14〕用于接收、监测出射光束λ₁或λ₂，其特征在于所说的耦合分光棱镜的一个入射面〔4〕上镀有对λ₂高透射，对λ₁高反射的光学薄膜〔16〕，使λ₁、λ₂二束光径此入射面反射、折射后高效率耦合;该耦合分光棱镜的分光面〔8〕上镀有偏振光学薄膜，使其对S偏振光反射，对P偏振光透射;上顶面〔5〕与下底面〔6〕各胶合一块>1光束高反射对λ₂光束高透射的分光薄膜〔15〕从而使二束光相互分离从该棱镜的不同面射出。整个光学头结构紧凑、简单、尺寸小，重量轻，功能强，可以有多种变形并且还可以改成用于磁光介质的DRAW光学头。

附图简要说明：

图1    为已有技术的一种光学头结构示意图

图2    本发明设计的一种耦合-分光棱镜

图3    两束光的界面耦合示意图

图4    为整形折射棱镜示意图

图5    为耦合棱镜设计的示意图

图6为偏振分光棱镜对返回光束与光源的隔离以及反回光相互分离示意图

图7    本发明的光学头总体结构

图8    擦除一记录/再现光学头结构实例一

图9    擦除一记录/再现光学头结构实例二

图10擦除一记录/再现光学头结构实例三

图11直读型（DRAW）光学头结构实例四

图12直读型（DRAW）光学头结构实例五

图13磁光型光盘的DRAW光学头结构实例六

图14磁光型光盘的DRAW光学头结构实例七

以上各图中顺序号分别代表部件如下所示：

〔1〕发出λ₁波长的激光光源>2波长的激光光源

〔3〕耦合-分光棱镜的λ射面    〔4〕耦合-分光棱镜的另一入射面

〔5〕耦合-分光棱镜的上顶面    〔6〕耦合-分光棱镜的下底面

〔7〕耦合-分光棱镜的出射面    〔8〕耦合-分光棱镜的偏振分光面

〔9〕耦合-分光棱镜的第一片 1/4 波片 〔10〕合一分光棱镜的第二片 1/4 波片〔11〕会聚物镜〔12〕光盘〔13a〕〔13b〕光盘信息面上的两个微光斑〔14〕调焦-跟踪-信号探测系统〔15〕分光薄膜〔16〕光学薄膜〔17〕偏振分光棱镜〔18〕准直镜〔19〕全反射棱镜〔20〕准直镜〔21〕柱透镜〔22〕部分反射部分透射分光面〔23〕 1/2 波长片〔24〕滤光片下面结合各附图叙述本发明的几个实例的结构。

例1 具有擦除-记录/再现功能光学头如图8a 8b所示，图8a是主视图，图8b是从光盘方向看的俯视图。以发出波长为λ₂的半导体激光器〔2〕作为擦除光源，以发出波长为λ₁的半导体激光器〔1〕作为记录/再现（即写/读）光源。波长为λ₁的光经准直镜〔3〕准直成横截面为椭园对称的平行光，经整形耦合-偏振分光棱镜的入射面〔3〕折射进入棱镜并整形成为园对称的平行光，由〔4〕面反射到偏振分光面〔8〕被反射（S偏振光），经〔5〕面进入第一个>2的光经准直镜〔20〕准直成为一椭园对称的平行光，经柱透镜〔21〕后由〔4〕折射进入耦合一偏振分光棱镜到达偏振分光面〔8〕被反射（S偏振光），经〔5〕面进入第一个>1光的反射率和对λ₂光的透射率，在〔4〕面上镜光学薄膜〔16〕。

例2 另一种结构的具有擦除-记录/再现功能光学头如图9所示，在实例1中，改变第二个 1/4 波片〔10〕上的分光薄膜〔15〕的性质，使λ₁的光从该薄膜透射出进入全反射棱镜〔19〕，最后抵达探测器〔14〕。而λ₂的光被分光薄膜反射重新进入第二个>

例3 在例1中，把柱透镜〔21〕放在λ₁的光的准直镜后面，这样就以光源1作为擦除光而以光源2作为写/读光，调焦-跟踪-信号探测系统即可以采用例1的结构，也可以采用例2的结构，图10-a是主视图，10-b是从光盘方向看的俯视图，最终使λ₂的光进入调焦-跟踪-信号探测系统。

例4    具有直读功能（DRAW）光学头，如图11所示，在例1或例2中去掉柱透镜，则在光盘上得到两个光斑〔13a〕，〔13b〕，以光源1作为再现（读）光源，而以光源2作为记录（写）光源，其他结构与例1或例2相同。

例5    另一种DRAW光学头，如图12所示，在例3中，以光源1作为写光源，以光源2作为读光源，在光盘上得到两个园光斑〔13a〕，〔13b〕，其他结构与例3相同。

在例1-5中，光源1所发的波长为λ₁的光和光源2所发的波长为λ₂的光，都可以以任意角度入射进入耦合-分光棱镜只要满足r＝QQ₂的关系。为了获得园形的写或读光斑，可以在写或读的光路中加入园形光栏。

例6    用作磁光型光盘的DRAW光学头，如图13所示。

在例3中，去掉两个 1/4 波片，并将耦合一偏振分光棱镜的偏振分光面改成具有一定透反特性的分光面〔22〕，而变成一般的耦合-分光棱镜（为了提高记录光的利用率，可使分光面具有对记录光λ₁高反而对再现λ₂光部分反射）滤光片〔24〕后面设置一个>2光束分别进入两个探测器〔14a〕〔14b〕来探测光信号（包括调焦信号，跟踪信号和光盘信号）。

例7 磁光型DRAW光学头之二，如图14所示，将例六中的分光片〔15〕换成对λ₁光透射对λ₂光反射的分光片（或滤光薄膜），把>

例8 磁光型DRAW光学头之三，在例6，例7中，以激光器1作为读光源，以激光器2作为写光源，则 1/2 波片，偏振分光棱镜和调焦＝跟踪-信号探测系统则置于分离后的λ₁波长的光路中，其结构与例6或例7相同。